基于数值模拟的负重轮挤压铸造工艺研究

摘要

科技时代的到来，使高精度、轻量化和高性能的武器装备成为各个国家发展的重点。而负重轮是装甲车辆行走系统的关键部件，直接影响着整个装甲车的重量和性能。使用铝合金替代原有钢质材料可大大减轻装甲车重量，实现轻量化，提高装甲车作战机动性。
　　压铸、模锻和挤压铸造工艺是目前负重轮生产的主要方法。其中，挤压铸造是一种介于铸锻之间综合了铸锻加工优点、少切削或无切削的近终形成型技术，适合于补缩困难、壁厚不均匀的铸件。该工艺一次成型获得晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的铸件且机加工量小、节省材料，不仅能保证产品的使用性能，而且具有良好的经济性能。因此，在负重轮的生产工艺中，首选挤压铸造。
　　在学习掌握挤压铸造工艺原理及特点、凝固过程的传热学规律以及压力下凝固过程的力学成形过程等相关知识后，采用ProCAST三维模拟软件，成功的模拟出负重轮挤压铸造工艺的凝固过程，得到了不同压力下的温度场变化和缩松、缩孔缺陷的预测结果。在结合国内挤压铸造设备情况和铸件补缩特点的基础上，根据模拟结果改进了工艺方案并优化模具设计。本文主要有以下结论:
　　(1)根据凝固传热学的基本理论，建立负重轮的温度场数学传热模型并给出求解，成功应运于温度场模拟，进而预测缺陷。
　　(2)不同比压下的温度场模拟结果表明:负重轮在压力下由表到里逐渐凝固，但各部位的凝固速度有明显区别。负重轮比较厚大的拐角部位，凝固最慢;而负重轮的表面，凝固最快。负重轮的凝固速度随压力的增大而加快。
　　(3)负重轮的凝固时间随压力的增大而减小。
　　(4)在研究压力对缩松、缩孔的影响时，发现压力的增大可以有效的减少缩孔和缩松，而当压力增大到100MPa后缩松和缩孔消失。
　　(5)挤压铸造加载方式，由常规简单加压调整为复合加压。对复合加压的挤压铸造工艺数值模拟，发现较低的压力下缩松缩孔就大大减少甚至消失。实验验证，复合加压的负重轮件，抗拉强度和伸长率已达标，即力学性能已符合科研项目的要求。
　　(6)文中在补缩量为4mm的复合加压挤压铸造工艺中，采用浇注温度730℃、模具预热温度300℃，保压时间32S的主要工艺参数获得的负重轮件，其整体抗拉强度σb为361.5MPa，伸长率δ为8.18％，满足项目σb＞360MPa、δ＞6％的力学要求。
　　(7)在复合加压挤压铸造工艺可行的基础上，优化负重轮的成形模具，研发成形模具的控温系统并介绍其组成设备如加热装置、冷却装置、定位装置的工作原理。

目录

声明

摘要

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究背景

1．2 挤压铸造工艺概述

1．2．1 挤压铸造工艺原理及特点

1．2．2 挤压铸造工艺分类

1．2．3 挤压铸造工艺发展概述

1．3 数值模拟技术发展概述

1．4 本课题的主要研究内容

1．5 本章小结

2 负重轮挤压铸造数值模拟的基本原理与数学模型

2．1 压力对凝固过程的影响

2．1．1 压力下材料热物理参数的变化

2．1．2 压力下金属凝固的热力学模型

2．1．3 压力下金属凝固的力学成形过程

2．2 凝固过程的传热理论

2．2．1 热量传递的基本方式

2．2．2 潜热的处理

2．2．3 初始条件和边界条件

2．2．4 传热数值模拟计算的基本方法

2．3 负重轮温度场的传热模型及求解方法概述

2．3．1 负重轮的传热数学模型

2．3．2 负重轮传热模型的有限元求解

2．4 本章小结

3 负重轮挤压铸造凝固过程数值模拟

3．1 软件介绍

3．1．1 数值模拟软件介绍

3．1．2 模拟软件ProCAST介绍

3．2 负重轮挤压铸造数值模拟步骤图

3．3 负重轮温度场模拟

3．3．1 几何模型的建立及网格划分

3．3．2 数值模拟的前处理

3．3．3 挤压铸造工艺主要参数设置

3．4 负重轮的模拟结果与分析

3．4．1 50MPa下模拟结果与分析

3．4．2 其他比压下模拟结果与分析

3．5 负重轮的缺陷预测

3．5．1 挤压铸造件常见缺陷

3．5．2 缩松缩孔的形成机理

3．5．3 压力对缩松的影响

3．6 本章小结

4 负重轮挤压铸造工艺改进

4．1 负重轮挤压铸造新方案

4．2 负重轮新方案验证

4．2．1 数值模拟预测缺陷

4．2．2 负重轮实验验证

4．3 负重轮模具设计

4．3．1 负重轮挤压铸造成形模具设计

4．3．2 负重轮控温系统设计

4．3．3 负重轮控温加热装置设计

4．3．4 负重轮控温冷却装置设计

4．3．5 加热器定位装置设计

4．4 本章小结

5 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间取得学术成果

致谢